Гідродинамічні режими насадкових колон

 

Залежно від швидкості газу, що подається в насадкову колону, (витрата рідини при цьому постійна), розрізняють декілька гідродинамічних режимів її роботи, які можуть бути наочно представлені гідравлічним опором зрошуваної насадки (рис. 10.12).(9.8)

I. Плівковий режим характеризується им, що практично вся рідина стікає по поверхні насадки у вигляді плівки. Спостерігається при невеликій густині зрошування і низьких швидкостях газу. Режим закінчується в точці А.

II. Підвисання характеризується збільшенням сил тертя газу об рідину на поверхні зіткнення фаз. В результаті спокійний перебіг плівки порушується — з'являються завихрення, бризки. Це сприяє збільшенню поверхні контакту і інтенсивності масообміну. Режим закінчується в точці В.

 

III. Емульгування характеризується накопиченням рідини у вільному об'ємі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікаючою рідиною і газом, що підіймається по колоні, не зрівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці. При цьому наступає обіг (або інверсія) фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ — дисперсною). Гідравлічний опір колони різко зростає (відрізок ВС). Наступає «захлинання» колони.

 

Рис. 9.7 --- 9.8

Фіктивна швидкість газу, відповідна швидкості захлинання w_захл описується рівнянням

 

де S_св — вільний перетин насадки, м²/м²; σ — питома поверхня

 

насадки, м²/м³; L і G — витрати рідини і газу, кг/с; ρ_г, ρ_ж — густина газу і рідини, кг/м³; μ = μ_ж/μ_в — відношення динамічної в'язкості рідини до динамічної в'язкості води.

З рівняння (10.9) виходить, що із збільшенням густини зрошування знижується гранична швидкість газу. У точці інверсії фаз швидкість газу зменшується також із збільшенням в'язкості рідини і зниженням її густини. При однакових витратах газу і рідини швидкість газу, відповідна точці інверсії, вища для крупнішої насадки.

IV. Віднесення рідини газовим потоком. На практиці не використовується.

Режим емульгування відповідає максимальній ефективності насадкових колон, перш за все шляхом збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки геометричною поверхнею насадки, а сумарною поверхнею пухирців і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний об'єм насадки. Проте при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно великий.

У режимах підвисання і емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад, в процесах абсорбції, що проводяться при підвищеному тиску). Для абсорберів, що працюють при атмосферному тиску, гідравлічний опір може виявитися неприпустимо великим, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі.

Недоліком насадкових колон є те, що вони малопридатні при роботі із забрудненими рідинами, а у разі малих кількостей зрошуючої рідини не досягається повна змочуваність насадки. Крім того, в насадкових колонах утруднене відведення теплоти, що виділяється при поглинанні газу.

Барботажні абсорбери — апарати, в яких поверхня контакту між рідиною і газом утворюється в результаті дроблення газу на струмені і пухирці, барботуючі через шар рідини. Такі режими здійснюються в тарілчастих колонах з ковпачковими, ситчатими і провальними тарілками.

Основною особливістю тарілчастих колон є ступінчастий характер здійснюваних в них процесів, оскільки газ і рідина послідовно вступають в контакт на окремих стадіях (тарілках) апарату.

Колони з ковпачковими тарілками (рис. 10.13) (9.9). У ковпачкових тарілках газ барботує через рідину, виходячи з прорізів ковпачків, розташованих на кожній тарілці. У прорізах газ дробиться на дрібні цівки, які після виходу з прорізу підіймаються вгору і, проходячи через шар рідини на тарілці, зливаються один з одним.

У колонах з ковпачковими тарілками знаходяться тарілки 1 з патрубками 2, закриті зверху ковпачками 3 (число ковпачків на тарілці визначається її конструкцією). Нижні краї ковпачків забезпечені зубцями або прорізами у вигляді вузьких вертикальних щілин. Рідина перетікає з тарілки на тарілку через переливні труби 4. Рівень рідини на тарілці відповідає висоті, на яку верхні кінці переливних труб виступають над тарілкою. Щоб рідина перетікала тільки по переливних трубах, а не через патрубки 2, верхні кінці патрубків повинні бути вищими за рівень рідини. Нижні краї ковпачків занурені в рідину так, щоб рівень рідини був вищим за верх прорізів.

Газ проходить по патрубках 2 в простір під ковпачками і, виходячи через отвори між зубцями або через прорізи в ковпачках, барботує через шар рідини.

Щоб газ не потрапляв в переливні труби і не перешкоджав таким чином нормальному перетіканню рідини з тарілки на тарілку, нижні кінці переливних труб опущені нижче за рівень рідини.

 

 

Рис. 10.13.(9.9) Схема колони з ковпачковими тарілками:

1 — тарілка; 2 — патрубок; 3 — ковпачок;

4 — переливна труба

 

 

Рис. 9.10

Завдяки цьому створюється гідрозатвор, запобігаючий проходженню газу через переливні труби.

По конструкції розрізняють круглі ковпачки (рис. 10.14, а) і прямокутні ковпачки (рис. 10.14, б). Круглі ковпачки мають діаметр 80... 100 мм, при роботі із забрудненими рідинами — до 200... 300 мм. Ширина прямокутних (тунельних) ковпачків 70...150 мм.

Колони з ситчастими тарілками (рис. 10.15). Ситчасті тарілки мають отвори 1 діаметром 2...5 мм. Газ проходить через отвори і барботує шар рідини на тарілці. При нормальній роботі колони рідина не протікає через отвори, оскільки вона підтримується знизу тиском газу. Висота шару рідини на тарілці складає 25... 30 мм і визначається положенням верхніх кінців переливних труб 2.

Ситчасті колони відрізняються простотою пристрою і високою ефективністю. Основний їх недолік полягає у тому, що вони задовільно працюють лише в обмеженому діапазоні навантажень. При малих навантаженнях, коли швидкість газу мала, рідина протікає через отвори, і робота колони порушується. При великих навантаженнях гідравлічний опір тарілки сильно зростає, причому спостерігається значне віднесення рідини. Інший недолік ситчастих колон полягає у тому, що отвори в тарілках можуть легко забиватися.

 

 

Рис. 10.15. Схема колони з ситчастими тарілками:

1 — отвори; 2 — переливна труба

 

Колони з провальними тарілками. У провальних тарілках відсутні переливні труби, внаслідок цього газ і рідина проходять через одні і ті ж отвори.

Дірчасті провальні тарілки по пристрою аналогічні ситчастим тарілкам і відрізняються від них лише відсутністю переливних труб і більшим діаметром отворів (5... 8 мм). На тарілці такої конструкції одночасно відбувається барботаж газу і пари через шар рідини і часткове «провалення» рідини.

Газ (пара) рухається від низу до верху тільки через частину отворів або щілин пульсуючим потоком, рідина стікає з тарілки на тарілку в місцях максимального гідростатичного тиску.

Решітчасті тарілки (рис. 10.16, б) мають отвори у вигляді фрезерованих щілин 1 шириною 2...3 мм. Іноді тарілки збирають із смуг, поставлених на ребро.

Трубчасто-решітчасті тарілки є різновидом решітчастих тарілок. Решітку утворює труба 2, зігнута в плоску спіраль (рис. 10.16, б). По трубах пропускають охолоджуючий агент для відведення теплоти, що виділяється при абсорбції. Не зайняту трубами площу тарілки перекривають перфорованим листом 3, живий перетин якого близький до живого перетину решітчастої частини тарілки.

Завдяки відсутності переливних пристроїв, провальні тарілки простіші за тарілки інших типів.

Перевагами барботажних абсорберів є хороший контакт між фазами і можливість роботи при будь-якому, зокрема при низькій, витраті рідини. У барботажних абсорберах може бути здійснене відведення теплоти. Для цього на тарілках встановлюють змійовики, по яких протікає охолоджуючий агент, або застосовують виносні холодильники, через які проходить рідина, що поступає з вищерозміщеної тарілки на нижчележачу. Барботажні абсорбери в порівнянні з насадковими більш придатні для роботи із забрудненими середовищами.

Основні недоліки барботажних абсорберів — складність конструкції і високий гідравлічний опір, зв'язаний при пропусканні великих кількостей газу із значними витратами енергії на переміщення газу через апарат. Тому барботажні абсорбери застосовують переважно в тих випадках, коли абсорбція ведеться під підвищеним тиском, оскільки при цьому високий гідравлічний опір неістотний.

У розпилюючих абсорберах поверхня зіткнення фаз створюється шляхом розпилювання рідини в масі газу на дрібні краплі. Такі абсорбери виготовляються звичайно у вигляді колон, в яких розпилювання рідини проводиться зверху, а газ рухається від низу до верху. Застосовуються вони головним чином для поглинання добре розчинних газів

Загальна поверхня крапель зростає із збільшенням густини зрошування і із зменшенням їх розміру і швидкості руху. Тому для ефективної роботи абсорбера велика густина зрошування має вирішальне значення.

 

 

Розпилювання рідини в абсорберах проводять механічними і пневматичними форсунками, а також відцентровими розпилювачами.

Механічні форсунки (рис. 10.17, а) розпилюють рідину при надмірному тиску 0,2...20,0 МПа і дають дрібне розпилення (розмір крапель 50 мкм і менш), але легко засмічуються і непридатні для розпилювання суспензій, забруднених і в'язких рідин.

Пневматичні форсунки (рис. 10.17, б) працюють під дією стислого повітря або пари під надмірним тиском до 0,5 МПа, придатні для розпилювання рідин з високою в'язкістю (наприклад, масел). Витрата повітря складає 0,3... 0,75 м³/дм³ розпиленої води.

Відцентрові розпилювачі (рис. 10.17, в) виготовляють у вигляді турбін або дисків, що обертаються з великою швидкістю, на які підводиться (поблизу осі) рідина. Частота обертання дисків складає 4000... 50 000 об/хв.

Диски на відміну від форсунок можуть розпилювати суспензії і забруднені рідини.

Перевагами розпилюючих абсорберів є їх простота і дешевизна, низький гідравлічний опір і можливість використовування при абсорбції газів, сильно забруднених механічними домішками.

До їх недоліків відносяться трудність застосування забруднених рідин як поглиначів, необхідність витрат енергії на розпилювання рідини і застосування великої густини зрошування, а також трудність регулювання кількості рідини, що подається.

Контрольні питання

1. У чому полягають фізичне значення і особливості процесу абсорбції?

2. Якими основними законами характеризується рівновага в процесах абсорбції?

3. Які принципові схеми абсорбції існують?

4. У яких випадках застосовують схеми абсорбції з частковою рециркуляцією рідини (газу)?

5. Яким чином може здійснюватися процес десорбції?

6. Які основні типи абсорберів існують?

7. У чому полягає призначення насадки?

8. Які гідравлічні режими роботи насадкових колон спостерігаються залежно від швидкості подачі газу (пари)?

Лекція 10

КРИСТАЛІЗАЦІЯ

10.1 Процес кристалізації

Кристалізація — масообмінний процес переходу речовини з розчину (або розплаву) в тверду фазу. Особливістю процесу кристалізації є можливість отримання розподілюваного компоненту в чистому вигляді, пов'язана з різною розчинністю речовини, що виділяється, і домішок, які залишаються в розчині.

Кристалізація супроводжується явищами поліморфізму, утворення кристалогідратів і ізоморфізму.

Поліморфізм — явище утворення за різних термодинамічних умов однією і тією ж речовиною різних по симетрії і формі, кристалів.

Кристалогідрати — кристали, що містять в структурі хімічно зв'язані молекули води, причому одна і та ж речовина залежно від умов кристалізації і зберігання може включати різне число молекул води.

Ізоморфізм — явище утворення змішаних кристалів з хімічно однотипних і схожих по кристалографічних ознаках речовин.

Кристалізація здійснюється унаслідок зміни розчинності компоненту, що кристалізується, в початковій суміші.

Розчини, що знаходяться в рівновазі з твердою фазою при певній температурі, називають насиченими. Речовини, у яких розчинність збільшується із зростанням температури, називають речовинами з позитивною розчинністю. Речовини з розчинністю, що знижується із збільшенням температури, називаються речовинами із зворотною розчинністю.

Якщо концентрація речовини перевищує його розчинність, розчини називаються пересиченими і є нестабільними, легко переходячи в стан насичення. При цьому з них випадає частина твердої фази.

Розчинність залежно від властивостей розчиненої речовини і розчинника в певному температурному інтервалі характеризується кривою розчинності.

На діаграмі стану (рис. 10.1) розчинів нанесені лінії розчинності деякої речовини залежно від температури. Область А називається нестійкою, або лабільною, область Б — відносно стійкою, або метастабільною, і область В — областю ненасичених розчинів.

Пересичені розчини з концентраціями, відповідними лабільній області, кристалізуються миттєво, в метастабільній же області ці розчини якийсь час залишаються без зміни.

Межі метастабільної області залежать від температури розчину, швидкості його охолоджування, перемішування і інших чинників.

Швидкість процесу кристалізації залежить від температури розчину, ступені його пересичення, швидкості утворення зародків кристалів, інтенсивності перемішування і інших чинників.

Зародки (або центри) кристалізації утворюються з пересичених або переохолоджених розчинів мимовільно. Швидкість їх утворення може бути збільшена підвищенням температури, перемішуванням, струшуванням, присутністю домішок (наприклад, ПАР), ультразвуковою дією і ін.

Розрізняють дві стадії утворення кристала: виникнення в пересиченому розчині центру кристалізації (зародка); зростання кристала на основі цього зародка (за умови його термодинамічної стійкості).

Розміри одержуваних кристалів залежать в першу чергу від умов кристалізації і часу здійснення процесу. Окрім цього, на їх гранулометричний склад впливають швидкість зародкоутворення, швидкість росту кристалів, дроблення частинок в ході процесу в результаті зіткнення один з одним і зіткнення із стінками апаратури, агрегації і т.д.

Розрізняють кристалізацію з розчинів, найчастіше використовувану в технологічних процесах, і кристалізацію з розплавів. Одночасне отримання великого числа кристалів, зокрема у виробництві мінеральних добрив, називається масовою кристалізацією.

Кристалізацію з розчинів здійснюють ізогідричним способом — зміною температури (для речовин з прямою розчинністю — пониженням температури; для речовин із зворотною розчинністю — підвищенням температури) або ізотермічним способом — видаленням частини розчинника випаровуванням або виморожуванням; додаванням в розчин речовин, що зв'язують розчинник.

Кристалізація з розплаву, здійснювана поступовим його охолоджуванням з метою отримання виливок, монокристалів, пластинок, гранул і ін.

Комбіновані способи кристалізації, до яких відносяться вакуум-кристалізація, кристалізація з випаровуванням частини розчинника в потоці носія (частіше за все повітря) і фракційна кристалізація, використовувана для розділення бінарних і багатокомпонентних розплавів на індивідуальні компоненти або фракції, що містять певні компоненти.

 

 

Рис. 10.1. Діаграма стану розчину:

А — нестійка область; Б — метастабільна область; В — область ненасичених розчинів

 

10.2 Матеріальний баланс кристалізації

Матеріальний баланс потоків, що беруть участь в процесі кристалізації, записується в загальному вигляді рівнянням

 

 

(10.1)

 

де G_н — кількість розчину, що поступає на кристалізацію; G_к — кількість маткового розчину після кристалізації; L — число кристалів, що утворилися; W — кількість видаленого розчинника.

Баланс речовини, що кристалізується, записується у вигляді

 

(10.2)

 

де x_н, x_к — масові частки розчиненої речовини в початковому і матковому розчинах; а — масова частка безводної речовини в кристалогідраті.

Сумісне рішення рівнянь (10.1) і (10.2) дозволяє одержати рівняння для визначення числа кристалів, що утворилися, в процесі ізотермічної кристалізації

(10.3)

 

 

Для ізогідричної кристалізації (W = 0) рівняння (10.3) спрощується: